CN105806245A - 建筑物变形的三维摄影监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维监测技术领域，具体涉及一种建筑物变形的三维摄影监测方法。该方法包括以下步骤：设置基准点，并测出基准点在地面空间坐标系中的坐标；确定监测点位置；确定影像控制点Ⅰ的位置，并测出影像控制点Ⅰ在地面空间坐标系中的坐标；进行影像采集，即拍摄出影像Ⅰ；进行数据处理，建立三维模型，提取所述监测点在地面空间坐标系中的坐标Ⅰ和/或提取监测点的三维分布图Ⅰ。该方法能够快速、高精度地完成对建筑物变形的监测。

Description

建筑物变形的三维摄影监测方法

技术领域

本发明属于三维监测技术领域，具体涉及一种建筑物变形的三维摄影监测方法。

背景技术

随着季节性的冻胀融沉，许多建筑物都会发生变化，尤其对于年代久远的建筑而言，这种变化更为明显。为了预测出建筑物的变化趋势，以便于进行下一步的防护工作，需要对建筑物的主体结构进行监测。

传统的点监测方法，工作量大，耗费时间较长，且不能全面反映监测目标物变形特征。现有的激光三维测量技术，可以快速测出目标物的三维坐标，但是该方法精确度不高，不适合用于监测目标物变形特征，并且该方法采用的技术设备费用也较高。

为了快速且高精度地完成对建筑物的主体结构的监测，需要研发出一种新的监测方法。

发明内容

本发明提供一种新型的建筑物变形的三维摄影监测方法，该方法能够快速、高精度地完成对建筑物变形的监测。

本发明采用如下技术方案：

建筑物变形的三维摄影监测方法，其包括以下步骤：

设置基准点，并测出基准点在地面空间坐标系中的坐标；

确定监测点位置；

确定影像控制点Ⅰ的位置，并测出影像控制点Ⅰ在地面空间坐标系中的坐标；

进行影像采集，即拍摄出影像Ⅰ；

进行数据处理，建立三维模型，提取所述监测点在地面空间坐标系中的坐标Ⅰ和/或提取监测点的三维分布图Ⅰ。

优选地，还包括以下步骤：

对所述基准点进行校准；

确定影像控制点Ⅱ的位置，并测出影像控制点Ⅱ在所述地面空间坐标系中的坐标；

进行影像采集，即拍摄出影像Ⅱ；

进行数据处理，提取出所述监测点在地面空间坐标系中的坐标Ⅱ和/或提取监测点的三维分布图Ⅱ。

进一步地，所述基准点至少为两个，所述测出基准点在地面空间坐标系中的坐标是使用水准仪和全站仪进行测量。

上述任一方案优选的是，所述监测点位于待测物上较易变形的位置。

上述任一方案优选的是，所述监测点上设有监测点显示装置。

上述任一方案优选的是，所述影像控制点Ⅰ中影像控制点的数量至少为三个，所述测出影像控制点Ⅰ在所述地面空间坐标系中的坐标是使用水准仪和全站仪测量。

较佳地，所述影像采集是将摄影装置放置在摄站上，并采用平行摄影的方式获取影像信息，且相邻摄站拍摄的影像有80-90%的重叠度。

进一步地，所述采用平行摄影的方式获取影像信息时，拍摄距离为1-1.2米。

优选地，所述摄影装置为单反数码相机，所述采用平行摄影的方式获取影像信息时是将数码相机顺时针旋转90度进行拍摄。

优选地，所述相邻摄站之间的距离为25-30厘米。

本发明的监测方法是通过基准点在地面空间坐标系中的三维坐标测出影像控制点Ⅰ在地面空间坐标系中的三维坐标，通过影像采集确定了影像控制点Ⅰ在相应影像上的像方坐标，经过数据处理，建立三维模型，并提取出所述监测点在地面空间坐标系中的三维坐标Ⅰ。该监测方法相比于传统的点监测，设置的监测点数量及布设状况可以根据监测需要确定，可直至点云级，没有限制条件，因此能够更全面反映出监测目标物变形特征；且本方法是通过影像进行采集监测点，不仅可以海量采集监测点，而且可以快速地完成采集工作，节约大量的外业工作时间，也减少了大量的人工成本和人工误差，提高了工作效率，拓宽了监测领域；另外，普通数码相机就可以进行影像采集，设备费用成本较低。该方法适用于对建筑物变形的监测。

附图说明

图1为本发明一优选实施例中建筑物变形的三维摄影监测方法流程图。

图2为本发明另一优选实施例中建筑物变形的三维摄影监测方法流程图。

具体实施方式

为了更加清楚地了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细介绍。本发明的实施例具有示例性的作用，本领域技术人员在本发明实施例基础上做出的无实质性的改进，都应属于本发明的保护范围。

如图1所示的建筑物变形的三维摄影监测方法，其包括以下步骤：

S101：设置基准点，并测出基准点在地面空间坐标系中的坐标。

所述基准点的设置是为了测出影像控制点Ⅰ在地面空间坐标系中的三维坐标。利用基准点测出影像控制点的步骤包括：使用水准仪和使用全站仪测出基准点在地面空间坐标系中的三维坐标；利用前方交会法（也称为角度交会法angularintersectionmethod），即从两个（或三个或四个或更多）已知的基准点测定已知方向与待定点方向之间的水平夹角，以交会出影像控制点Ⅰ位置的方法。所述水准仪一般为高精度数字水准仪，所述全站仪通常为0.5″级全站仪。

S102：确定监测点位置。

所述监测点，是设置在建筑物上，为了反映建筑物变化的特征点。建筑物通常是由砖块或石条或其他堆砌物体进行垒砌而成，建筑物发生变形时，通常表现为一个或多个堆砌物体的位置改变。为了全面反映建筑物变形特征，通常是在每个堆砌物体上均设置监测点，以便于精确地监测出每个堆砌物体发生的改变。一般地，在每个堆砌物体上至少设置四个监测点，以便于精确测出每个堆砌物体的变化。

通常，为满足快速创建三维模型的需要，布设这些监测点的时候，要分组命名。如某一石块朝外面，从左上角的监测点开始，按逆时针方向依次命名U1、U2、U3、U4，监测点命名规则：阶梯数－层数－石条块数（从左向右）－逆时针方位号，针对断裂石块需根据情况确定并固定点名。监测点命名确定完成后将用于整个监测周期，不发生变动。当然，根据不同的建筑物，可以选择其他命名规则。

S103：确定影像控制点Ⅰ的位置，并测出影像控制点Ⅰ在地面空间坐标系中的坐标。

本发明中的影像控制点是用于影像绝对定向，并获取照片的内方位元素、外方位元素等，为后期监测点在地面空间坐标系中的三维坐标的提取提供基础数据。影像控制点上通常设有影像控制点显示装置，为了提高观测精度，影像控制点显示装置的边长一般不小于5mm，具体大小可根据实际基准点的位置进行设定，例如，基准点距离影响控制点较近时，影像控制点显示装置可以小些；基准点距离影响控制点较远时，影像控制点显示装置可以大些，一般应以在基准点的位置时能够清楚地看到影像控制点显示装置为目的。

S104：进行影像采集，即拍摄出影像Ⅰ。

对待测物进行影像采集时，采用的摄影装置一般可以为普通的单反数码相机。该数码相机体积小、价格便宜、适应性较强，能在环境复杂的地区进行外业作业，灵活性高。例如，可以采用CanonEOS5DMarkⅢ、2200万像素、像素大小为0.00625毫米/像素的相机。

在进行拍摄之前，根据地面分辨率的要求、摄影距离的远近、拍摄区域的大小，选择合适的镜头。为保证监测点的提取精度，监测点显示装置在影像上所占的面积与监测点显示装置的实际面积之比应大于0.01389。

拍摄之前，相机应进行自动对焦AF（AutoFocus），调整到最佳对焦点后，换成手动对焦模式MF（ManualFocus）。一般选用手动曝光模式，以便于根据现场的拍摄条件灵活的调整光圈和曝光时间。因拍摄条件限制，需采用手持拍摄，为保证影像清晰，曝光时间应快于1/160秒。通常，ISO（感光度）设为100-250，进一步的可以是160或200。

S105：进行数据处理，建立三维模型，提取所述监测点在地面空间坐标系中的坐标Ⅰ和/或提取监测点的三维分布图。

所述数据处理，是根据影像控制点Ⅰ在地面空间坐标系中的三维坐标、和影像Ⅰ及拍摄影像时的相机参数，得出构成三维模型的点云数据及点云数据在地面空间坐标系中的三维坐标，并提取出监测点在地面空间坐标系中的三维坐标Ⅰ和/或提取监测点的三维分布图。

所述三维分布图，一般是监测点在地面空间坐标系中的三维坐标分布图。根据该三维分布图，可以直观地观察到监测点的分布状况，以方便后续对监测点变化的分析。

本发明的监测方法是通过基准点在地面空间坐标系中的三维坐标测出影像控制点Ⅰ在地面空间坐标系中的三维坐标，通过影像采集确定了影像控制点Ⅰ在相应影像上的像方坐标，经过数据处理，建立三维模型，并提取出所述监测点在地面空间坐标系中的三维坐标Ⅰ。该监测方法相比于传统的点监测，设置的监测点数量及布设状况可以根据监测需要确定，可直至点云级，没有限制条件，因此能够更全面反映出监测目标物变形特征；且本方法是通过影像进行采集监测点，不仅可以海量采集监测点，而且可以快速地完成采集工作，节约大量的外业工作时间，也减少了大量的人工成本和人工误差，提高了工作效率，拓宽了监测领域；另外，普通数码相机就可以进行影像采集，设备费用成本较低。该方法适用于对建筑物变形的监测。

在如图1所示的实现方式的基础上，如图2所示，S105之后还可以包括以下步骤：

S106：对所述基准点进行校准。

所述对所述基准点进行校准，即是重新测出所述基准点在地面空间坐标系中的坐标，若与之前测出的有差距，则应对基准点稳定性进行分析，查出变化位，记载所述基准点在地面空间坐标系中变化后的坐标，并以此为准测出影像控制点Ⅱ在地面空间坐标系中的坐标。通常，所述基准点在地面空间坐标系中的坐标是不会变化的。

S107：确定影像控制点Ⅱ的位置，并测出影像控制点Ⅱ在所述地面空间坐标系中的坐标。

所述影像控制点Ⅱ中各影像控制点的位置可以与所述影像控制点Ⅰ中各影像控制点的位置分别相同，也可以不同。所述影像Ⅱ中各张影像中拍摄的区域可以与影像Ⅰ中各张影像的区域一致，也可以不一致，但影像Ⅰ和影像Ⅱ都应包含所需要监测的区域。

S108：进行影像采集，即拍摄出影像Ⅱ。

本发明中的影像控制点Ⅰ、影像Ⅰ和影像控制点Ⅱ、影像Ⅱ，是为了表示出在不同时期对同一建筑物的同一区域分别进行的测量，并没有其他限制意义。其中，所述影像控制点Ⅰ和影像控制点Ⅱ分别具有多个影像控制点，所述影像Ⅰ和影像Ⅱ分别具有多张影像。

S109：进行数据处理，提取出所述监测点在地面空间坐标系中的坐标Ⅱ和/或提取监测点的三维分布图Ⅱ。

通过将监测点在地面空间坐标系中的坐标Ⅱ和坐标Ⅰ进行对比，即可分析出每个监测点的变化状况，从而可以分析出建筑物整体的变化状况。或者，将监测点的三维分布图Ⅱ与三维分布图Ⅰ进行对比，可以直观地看出建筑物的整体变化趋势。

通常，所述基准点至少为两个，所述测出基准点在地面空间坐标系中的坐标是使用水准仪和全站仪进行测量。当建筑物的整体为多面体时，且每个面均设有影像控制点Ⅰ时，为了方便以前方交会法测出所有影像控制点Ⅰ在地面空间坐标系中的三维坐标，可以在每个面的外侧均设置两个或者两个以上的基准点。所述水准仪一般是高精度数字水准仪，所述全站仪通常是0.5″级全站仪。

较佳地，所述监测点位于待测物上较易变形的位置。尤其是若某个堆砌物体发生裂痕或残缺，应在裂痕或残缺的附近位置设置监测点，通常至少为两个监测点，即在裂痕或残缺部位两侧各布设一个，以便于监测出裂痕或残缺部位的变化。

进一步地，每个堆砌物体上每个朝外面的四个角处均设置有监测点，以便于进一步精确到每个堆砌物体上朝外面在四个方向上的变化。朝外面，是指暴露在外面的一面。

为了方便后续操作，尤其是建筑物的待监测部位不具备可长期保存的情况下，通常需在监测点的位置上设置监测点显示装置。该装置可以明确标记监测点，在后续图片处理过程中，更容易辨认出监测点，进而可以方便监测点的提取。

进一步地，监测点设置在堆砌物体上的平坦位置。这样便于监测点显示装置的安装，并且会延长监测点显示装置在监测点位置的粘附时长，便于后续工作的进展。

一般地，为了避免监测点显示装置影响建筑物的整体外观，监测点显示装置的表观颜色与建筑物的外观颜色保持一致或者相近。进一步地，监测点显示装置的体积应较小，一般可以为0.2-0.6mm厚，边长不大于5mm。监测点显示装置的材质可以为金属、陶瓷等，通常可选白钢。为了精确监测点的位置，监测点显示装置上可以设置十字槽线，十字槽线中心即为监测点的位置。十字槽线的颜色可以是与建筑物的表观颜色有区别的颜色，以提高十字槽线与建筑物表观颜色的对比度。十字槽线的外表通常应涂抹防水漆，以防止十字槽线上的颜色脱落。监测点显示装置通常是黏贴在堆砌物体上，一般选择双基改性环氧树脂无腐蚀性胶。该胶的黏贴性强，不怕雨水的冲刷。本发明中的监测点显示装置肉眼不易识别，不会影像建筑物的外观，又可以标记出监测点的位置。

一般地，所述影像控制点Ⅰ中影像控制点的数量至少为三个，所述测出影像控制点Ⅰ在所述地面空间坐标系中的坐标是使用水准仪和全站仪测量。使用测量仪器进行测量时，通常是依据基准点在地面空间坐标系中的坐标，测出影像控制点Ⅰ中每个控制点在地面空间坐标系中的坐标。

影像控制点Ⅰ中影像控制点的数量一般依据建筑物的形状、大小及所需求的精确度进行设定。通常是，建筑物的整体为多面体时，应在建筑物的每个面均设置影像控制点，且建筑物的每个面的影像控制点的数量不少于三个，通常可以是10-16个。一般建筑物的每个面上的影像控制点为均匀分布。在设置建筑物的每个面影像控制点时，应保证该面所对应的基准点均能观测到。

所述影像控制点Ⅱ中影像控制点的数量与影像控制点Ⅰ中控制点的数量可以相同，也可以不同，且也是至少为三个。

优选地，所述影像采集是将摄影装置放置在摄站上，并采用平行摄影的方式获取影像信息，且相邻摄站拍摄的影像有80-90%的重叠度。所述摄站是指拍摄照片时，相机所在的位置。

进一步地，所述采用平行摄影的方式获取影像信息时，拍摄距离为1-1.2米。拍摄距离即为相机镜头中点距离待测物体被拍摄部分的中点的距离。

优选地，所述摄影装置为单反数码相机，所述采用平行摄影的方式获取影像信息时是将数码相机顺时针旋转90度进行拍摄。这样可以增加拍摄高度，减少航带数量。

较佳地，所述相邻摄站之间的距离为25-30厘米。较小的相邻摄站之间的距离，可以增大相邻影像的重叠度。

一般地，所述数据处理是由建筑物变形的数据处理装置进行。优选的实施例中，提供一种建筑物变形的数据处理装置，其包括：

输入模块，用于输入包含影像、影像控制点在地面空间坐标系中的坐标和获取所述影像时摄影装置参数的信息；

影像控制点量测模块，用于根据所述获取所述影像时摄影装置参数，在所述影像上量测影像控制点的像方位置；

数据处理模块，用于处理所述影像控制点的像方位置、影像控制点在地面空间坐标系中的坐标，获取所述影像的外方位元素和所述影像的内方位元素；

监测点量测模块，用于根据所述获取所述影像时摄影装置参数，在所述影像上量测监测点的像方位置；

监测点提取模块，用于根据所述监测点的像方位置、所述影像的外方位元素和所述影像的内方位元素，提取监测点在地面空间坐标系中的坐标和/或提取监测点的三维分布图。

所述摄影装置参数包括像素大小、像幅高、像幅宽、焦距等。所述摄影装置可以是数码相机，用于采集建筑物的影像信息。所述影像，通常是对建筑物拍摄的一系列照片，且相邻照片一般具有80—90%的重叠度。相邻照片，即是在相邻摄站拍摄的照片。

所述影像控制点的像方位置，即是影像控制点在包含该影像控制点的影像上的像方坐标。一般，影像控制点在每张包含该影像控制点的影像上均有对应的像方位置，该像方位置在影像获取时就已经确定。

所述监测点，是设置在建筑物上，为了反映建筑物变化的特征点。所述监测点的像方位置，即是监测点在包含该监测点的影像上的像方坐标。

所述监测点的三维分布图，一般是监测点在地面空间坐标系中的三维坐标分布图。根据该三维分布图，可以直观地观察到监测点的分布状况，以方便后续对监测点变化的分析。

本发明的建筑物变形的数据处理装置，使得在对建筑物变形的监测过程中，设置的监测点数量及布设状况可以根据监测需要确定，可直至点云级，没有限制条件；海量的监测点数据可以实现自动提取；监测点的三维坐标精度可达到±1毫米；可以快速地、精确地、全面地监测出建筑物的变形特征；工作量也远小于传统点监测方法；普通的数码相机就可以使用，费用较低；可应用于对建筑物变形的监测。

优选的是，所述数据处理装置，还包括监测点预测模块，用于根据第M期的监测点在地面空间坐标系中的三维坐标和第N期影像的外方位元素、第N期影像的内方位元素预测并显示出第N期监测点在第N期影像上的预测像方位置；所述第M期和第N期为不同的监测周期。

在此引述的第M期和第N期，只是为了表述不同的监测周期，并没有其他限制含义。其中，第M期（通常可以是第一期）的监测点在地面空间坐标系中的三维坐标是已知的，其可以利用上述输入模块、影像控制点量测模块、数据处理模块、监测点量测模块和监测点提取模块提取出。在处理第N期（可以是第二期、第三期、第四期等等）的影像时，可以利用上述的输入模块、影像控制点量测模块和数据处理模块得出第N期影像的外方位元素、第N期影像的内方位元素，然后利用监测点预测模块，根据第M期的监测点在地面空间坐标系中的三维坐标和第N期影像的外方位元素、第N期影像的内方位元素预测并显示出第N期监测点在第N期影像上的预测像方位置。

第N期监测点在地面空间坐标系中的三维坐标可能由于建筑物的变形而相对于第M监测点在地面空间坐标系中的坐标发生改变，但是这种改变通常是不大的。所述预测像方位置，即是监测点在相应影像上的真实像方位置或者是监测点在相应影像上的真实像方位置的附近像方位置。当建筑物的监测点在地面空间坐标系中的坐标没有发生改变时（即是第M期和第N期分别进行监测时，该监测点在地面空间坐标系中的坐标没有发生变化），则预测像方位置即为真实像方位置；当建筑物的监测点在地面空间坐标系中的坐标发生改变时（即是第M期和第N期分别进行监测时，该监测点在地面空间坐标系中的坐标发生了变化），则预测像方位置即为真实像方位置的附近像方位置。

所述预测像方位置，即是监测点在相应影像上的真实像方位置，或者是监测点在相应影像上的真实像方位置的附近像方位置。当建筑物的监测点在地面空间坐标系中的坐标没有发生改变时（即是第M期和第N期分别进行监测时，该监测点在地面空间坐标系中的坐标没有发生变化），则预测像方位置即为真实像方位置；当建筑物的监测点在地面空间坐标系中的坐标发生改变时（即是第M期和第N期分别进行监测时，该监测点在地面空间坐标系中的坐标发生了变化），则预测像方位置即为真实像方位置的附近像方位置。

在此引述的第M期和第N期，只是为了表述不同的监测周期，并没有其他限制含义。

所述建筑物变形的数据处理装置，其还包括调整模块，用于根据第N期监测点在第N期影像上的预测像方位置调整监测点在第N期影像上的像方位置。

监测点预测模块预测并显示出了第N期监测点在影像上的预测像方位置，但是该预测像方位置有时与真实的像方位置有一定的误差。调整模块根据监测点在影像上的预测像方位置将监测点调整到真实像方位置，以便于获得监测点的真实像方坐标。

所述的建筑物变形的三维摄影监测装置，通常还包括匹配模块，用于根据所述影像、影像控制点在地面空间坐标系中的坐标和获取所述影像时摄影装置参数的信息，建立建筑物的相对三维模型。

所述相对三维模型，是由点云构成的三维模型，且各点的相对位置关系已经确定，但是在尺度和方向上未确定。

进一步地，所述数据处理模块，还用于根据所述影像的外方位元素和所述影像的内方位元素，在所述建筑物的相对三维模型的基础上，建立建筑物的绝对三维模型。

所述绝对三维模型，是由点云构成的三维模型，各点在地面空间坐标系中的位置已经确定。即是各点在地面空间坐标系中的三维坐标已经确定。

一种建筑物变形的数据处理方法，其包括以下步骤：

S201、输入包含影像、影像控制点在地面空间坐标系中的坐标和获取所述影像时摄影装置参数的信息；

S202、根据所述获取所述影像时摄影装置参数，在所述影像上量测影像控制点的像方位置；

S203、处理所述影像控制点的像方位置、影像控制点在地面空间坐标系中的坐标，获取所述影像的外方位元素和所述影像的内方位元素；

S204、根据所述获取所述影像时摄影装置参数，在所述影像上量测监测点的像方位置；

S205、根据所述监测点的像方位置、所述影像的外方位元素和所述影像的内方位元素，提取监测点在地面空间坐标系中的坐标和/或提取监测点的三维分布图。

本发明的建筑物变形的数据处理方法，使得在对建筑物变形的监测过程中，设置的监测点数量及布设状况可以根据监测需要确定，可直至点云级，没有限制条件；海量的监测点数据可以实现自动提取；监测点的三维坐标精度可达到±1毫米；可以快速地、精确地、全面地监测出建筑物的变形特征；工作量也远小于传统点监测方法；普通的数码相机就可以使用，费用较低。

为了进一步缩短了对影像处理的时间，上述方法中，所述提取监测点在地面空间坐标系中的坐标是提取第M期的监测点在地面空间坐标系中的三维坐标，之后，还包括步骤S206：根据第M期的监测点在地面空间坐标系中的三维坐标和第N期影像的外方位元素、第N期影像的内方位元素预测并显示出第N期监测点在第N期影像上的预测像方位置；所述第M期和第N期为不同的监测周期。

所述第M期通常可以是第一期，其监测点在地面空间坐标系中的三维坐标可以利用上述建筑物变形的三维摄影监测方法提取出。在处理第N期（可以是第二期、第三期、第四期等等）时，可以利用上述的步骤S201、S202和S203得出第N期影像的外方位元素、第N期影像的内方位元素，然后利用步骤S206，根据第M期的监测点在地面空间坐标系中的三维坐标和第N期影像的外方位元素、第N期影像的内方位元素预测并显示出第N期监测点在第N期影像上的预测像方位置；最后，通过步骤S205提取第N期监测点在地面空间坐标系中的坐标和/或提取第N期监测点的三维分布图。

进一步地，所述三维摄影监测方法还包括步骤S207：根据第N期监测点在第N期影像上的预测像方位置调整监测点在第N期影像上的像方位置。该步骤根据监测点在影像上的预测像方位置将监测点调整到真实像方位置，以便于获得监测点的真实像方坐标。

较佳地，所述三维摄影监测方法中，步骤S101之后还包括：根据所述影像、影像控制点在地面空间坐标系中的坐标和获取所述影像时摄影装置参数的信息，建立建筑物的相对三维模型。

进一步地，所述建立建筑物的绝对三维模型之后，还包括：根据所述影像的外方位元素和所述影像的内方位元素，在所述建筑物的相对三维模型的基础上，建立建筑物的绝对三维模型。

优选的实施例中，提供一种建筑物变形的三维分析系统，其包括：

数据管理模块，用于导入至少两个时期的监测点的数据信息，所述监测点的数据信息包括监测点的坐标和监测点的三维分布图；

模型生成模块，用于根据至少两个时期的监测点的数据信息生成至少两个相对应的建筑物的三维分析模型；

分析模块，用于根据所述至少两个时期的监测点的数据信息分析至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的变形情况；

其中：所述分析模块包括水平分析单元，用于分析并显示至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的局部或整体在水平面上的变形情况；

所述分析模块包括沉降分析单元，用于分析并显示至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的局部或整体的沉降变形情况。

所述监测点的坐标，一般是指监测点在地面空间坐标系中的坐标。所述监测点的三维分布图，一般是指监测点在地面空间坐标系中的三维坐标分布图。所述至少两个时期的监测点的数据信息，是指对同一建筑物的相同监测点，在至少两个时期的监测数据，通常包括一个开始时期、一个终止时期，还可以包括一个或多个中间时期。通常，相邻两个时期的时间间隔可以是一个星期或两个星期或一个月或两个月或三个月或其他时间段。所述数据管理模块包括导入数据单元，用于导入监测点的数据信息，包括监测点的坐标和监测点的三维分布图。所述导入监测点的数据信息，是将每一期的监测点的数据信息分别进行导入，以便于输入相应的监测日期和监测期数。

所述数据管理模块还包括粗差处理单元，用于对误差较大的监测点的数据信息进行粗差处理。可以减少监测点的数据信息的误差，提高监测点的数据信息的精确度。

所述粗差处理单元包括粗差分析单元，用于选择需要分析的监测点、输入误差参数、分析并显示出超出误差参数的监测点。所述分析，是指将监测点的坐标与其他时期的相应监测点的坐标进行对比，对比的结果若超出误差参数，即是需要显示该监测点（显示该监测点的坐标或者是三维分布图）。通常是将监测点的坐标与上一时期的相应监测点的坐标进行对比。

所述粗差分析单元包括单点分析子单元，用于分析并显示超出误差参数的所有的监测点及相应监测点的坐标或者三维分布图。单点分析子单元可以对建筑物的三维分析模型进行整体分析。所述粗差分析单元包括堆砌物体分析子单元，用于分析并显示某个堆砌物体上的超出误差参数的监测点及该监测点的坐标或者三维分布图。堆砌物体分析子单元，可以对单独的堆砌物体进行分析。

所述粗差处理单元包括粗差消除子单元，用于选择超出误差参数的监测点，并纠正超出误差参数的监测点的坐标（在地面空间坐标系中的坐标）或三维分布图。所述纠正超出误差参数的监测点的坐标，是根据超出误差参数的监测点所在的堆砌物体上的其他监测点的坐标、误差理论判断该监测点的粗差和相应的粗差方向，调整超出误差参数的监测点的位置。

所述数据管理模块还包括导出数据单元，用于导出已粗差处理的监测点的数据信息。

所述数据管理模块还包括导入备份数据单元，用于导入备份的监测点的数据信息。

所述数据管理模块还包括数据查看单元，用于查看已经导入的监测点的数据信息。所述数据查看单元包括选择单元，用于选择需要查看的部分或全部的监测点。

所述数据管理模块还包括导出监测数据报表单元，用于将监测点的坐标以表格的形式导出。可以方便监测点的数据信息的查看与保存。所述导出监测数据报表单元，可以将建筑物不同期数不同区域的监测点的坐标分别导出。导出的数据报表中包括制表日期、监测单位、工程名称、观测日期、观测点名称及相应观测点的坐标等。

所述建筑物的三维分析模型，是由监测点点云构成的三维模型，各监测点在地面空间坐标系中的位置已经确定。所述模型生成模块通常是根据已输入各个时期的监测点的坐标和监测点的三维分布图分别生成该时期相对应的建筑物的三维分析模型。所述分析建筑物的三维分析模型的变形情况，是根据不同时期（至少两个时期）的监测点的数据信息分析出建筑物的三维分析模型变形的量化数据，并用图形表示出建筑物的三维分析模型的变形情况。所述分析建筑物的三维分析模型的变形情况，即是可以分析建筑物的变形情况。所述量化数据，是指具体的数值或数值范围。如：根据第一期和第二期的监测数据，可以分析第二期相对应的建筑物的三维分析模型的变形情况，具体可以通过将第二期的监测点坐标与第一期的相应监测点进行对比即可得出相应监测点在地面空间坐标系中的坐标的变化量，该变化量即是变形的量化数据；若是三个或者三个以上的不同时期，也可以得出叠加后的变化量。

所述分析模块，可以根据不同时期的监测点的数据信息，分别对建筑物的三维分析模型的整体水平位移、整体沉降进行分析。如：通过查看建筑物的三维分析模型的质心，根据其在地面空间坐标系中的坐标位置的变动情况可以分析出建筑物的三维分析模型的整体水平位移和整体沉降；或者是将不同时期的建筑物的三维分析模型用不同颜色表示，再通过模型叠加将不同时期的建筑物的三维分析模型进行叠加显示出来，即可查看出建筑物的三维分析模型的变形概况。所述整体水平位移，是指整体在水平面上的位移，即是整体在水平面上的变形情况。

所述分析模块，也可以对建筑物的三维分析模型的局部变形进行分析，如：在剖面分析单元中，指定任意直线做剖面得到建筑物的三维分析模型的剖面图，不同时期的建筑物的三维分析模型的剖面图的轮廓线以不同颜色区分，根据不同颜色显示出来的轮廓线可直观地查看建筑物的三维分析模型在该区域的变形情况。

所述分析模块包括水平分析单元，用于分析并显示至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的局部或整体在水平面上的变形情况。具体是，可以通过水平分析单元选择局部或全部的监测点，同时选择所需要分析的时期（至少需要两个时期，即需要分析的起始时期和终止时期，也可以加上中间时期），根据所选择的监测点及监测点在不同时期的坐标（在地面空间坐标系中的坐标），水平分析单元可以分析出局部或整体建筑物的三维分析模型在水平面上变形的量化数据。所述选择所需要分析的时期，即是选择所需要分析的监测点在该时期的坐标（在地面空间坐标系中的坐标）。所述水平分析单元还可以将建筑物的三维分析模型的局部或整体在水平面上的变形情况以图形形式显示。所述水平分析单元，可以分析某个监测点在水平面上的变形情况，也可以分析单独的堆砌物体在水平面上的变形情况（即是分析某个堆砌物体的质心在水平面上的变形情况），也可以分析监测面在水平面上的变形情况（即是分析某个监测面的中心在水平面上的变形情况），也可以分析建筑物的整体在水平面上的变形情况（即是分析建筑物的质心在水平面上的变情状况）。

所述分析模块包括沉降分析单元，用于分析并显示至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的局部或整体的沉降变形情况。具体是，可以通过沉降分析单元选择局部或全部的监测点，同时选择所需要分析的时期（至少需要两个时期，即需要分析的起始时期和终止时期，也可以加上中间时期），根据所选择的监测点及监测点在不同时期的坐标（在地面空间坐标系中的坐标），沉降分析单元可以分析出局部或整体建筑物的三维分析模型的沉降变形的量化数据。所述沉降分析单元还可以将建筑物的三维分析模型的局部或整体的沉降变形情况以图形形式显示出来。所述沉降分析单元，可以分析某个监测点的沉降变形，也可以分析单独的堆砌物体的沉降变形（即是分析某个堆砌物体的质心的沉降变形），也可以分析监测面的沉降变形（即是分析某个监测面的中心的沉降变形），也可以分析建筑物的整体的沉降变形（即是分析建筑物的质心的的沉降变形）。

所述分析模块包括剖面分析单元，用于在建筑物的三维分析模型上建立剖面，生成并显示建筑物的三维分析模型的剖面图。所述建立剖面，是在建筑物的三维分析模型上画剖面线，并以剖面线为依据生成剖面图。可以根据建筑物的三维分析模型的剖面图查看、分析建筑物的局部变形情况。

所述分析模块包括对比分析单元，用于将不同时期的监测点的数据信息进行对比分析，并将对比分析的结果以图形形式显示。所述不同时期的监测点的数据信息，是指同一监测点在不同时期的坐标（在地面空间坐标系中的坐标）或同一监测面上监测点在不同时期的坐标（在地面空间坐标系中的坐标）或者建筑物上所有监测点在不同时期的坐标（在地面空间坐标系中的坐标），分别可以实现对监测点的对比分析、对监测面的对比分析和对建筑物的三维分析模型的整体对比分析。所述监测面，是指由选择的的监测点构成的面。通常是从宏观上将建筑物的整体分成多个面，选择每个面上的所有监测点，即是可以分析该面的变化情况；或者是单独的堆砌物体上的某一面，选择某个堆砌物体某一面的所有监测点，即是可以分析该堆砌物体的该面的变化情况。

通常，将相同监测点在不同时期的坐标位置进行对比分析时，是将两个或两个以上不同时期的相同监测点的坐标位置进行对比分析。

所述对比分析单元包括监测面对比分析单元，用于选择监测面数据，并将相同监测面在不同时期的三维分布图分别用不同颜色显示。所述监测面数据，是指监测面上的所有监测点在不同时期监测点的数据信息。所述选择监测面数据，是指选择至少两个时期的相同监测面数据。所述将相同监测面在不同时期的三维分布图分别用不同颜色显示，是指建筑物的同一监测面上相同监测点在不同时期的三维分布图用不同颜色显示，同一时期的监测点的三维分布图的颜色相同，这样就能很直观地分辨出不同时期相同监测面的位置变化。

所述对比分析单元包括整体分析单元，用于选测堆砌物体数据，并分析出相同堆砌物体在不同时期的变化量，将不同变化量范围内的堆砌物体的三维分布图用不同颜色显示。通常，变化量范围是预先设置的，不同的要求可以设置不同的变化量范围。所述堆砌物体数据，是指单独的堆砌物体上监测点在不同时期的数据信息。所述不同时期，是至少两个时期。将不同变化量范围内的堆砌物体用不同颜色显示出来，可以直观地看出建筑物整体的变化情况。

所述分析模块包括堆砌物体位移分析单元，用于分析并显示堆砌物体从起始时期到终止时期的变化轨迹或者分析并显示堆砌物体经过多个不同时期的叠加位移。所述起始时期和终止时期，分别是需要分析的起始时期和终止时期，如已导入第一期、第二期、第三期和第四期的监测点的数据信息，若需要分析第一期和第二期的监测点的数据信息，则第一期和第二期分别是起始时期和终止时期；若需要分析第二期和第三期的监测点的数据信息，则第二期和第三期分别是起始时期和终止时期。所述变化轨迹，是指单独的堆砌物体的坐标的变化轨迹。所述叠加位移，是指堆砌物体在三个不同时期或三个以上的不同时期的位移叠加。所述堆砌物体位移分析单元，可以分析单独的堆砌物体的变化轨迹，也可以同时分析多个堆砌物体的变化轨迹。所述起始时期和终止时期，可以是已导入的监测点的数据信息中的任意两个时期。分析堆砌物体的变化轨迹，是根据起始时期和终止时期该堆砌物体上的监测点的坐标（在地面空间坐标系中的坐标）进行分析的。

本实施例的建筑物变形的三维分析系统，通过对监测点的坐标和建筑物的三维分析模型的展示和分析，得出全部或部分监测点坐标的位移情况，从而对建筑物的三维分析模型的整体倾斜、沉降及局部变形等给出量化数据和图形显示，进而得出并直观地显示出建筑物的变形情况。该分析系统，可以处理大量的监测点数据信息，不仅能够全面分析出建筑物的变形特征，同时还能够直观地看到建筑物的变形特征；还可以节约大量的人工和时间成本；且该分析系统的精确度较高，很大程度地减少了人工误差。

进一步地，所述建筑物变形的三维分析系统，其还包括变形预测模块，用于根据已分析出的建筑物的三维分析模型变形的量化数据预测出建筑物在预测时期的变形数据，并以此生成预测时期的建筑物的三维预测模型。

所述建筑物的三维预测模型，是由监测点点云构成的三维模型，各监测点在地面空间坐标系中的位置是预测的。

所述预测时期，即是需要预测出建筑物该时期的变形情况的时期，该时期的监测点的数据信息通常是未知的。所述变形数据，是指监测点的坐标在预测时期与已知时期(监测点的坐标数据已知的时期）之间的变化量。

通常是可以根据至少四个时期的监测点的数据信息进行预测并生成建筑物的三维预测模型。预测并生成建筑物的三维预测模型，即是可以得出建筑物在预测时期的变形情况。

所述变形预测模块包括水平预测单元，用于根据已分析出的建筑物的三维分析模型的局部或整体在水平面上的变形情况，预测出建筑物在预测时期的水平面上的变形情况。具体是，可以通过水平预测单元选择局部或整体建筑物的三维分析模型在水平面上变形的量化数据，同时设置所需要预测的预测时期，根据所选择的量化数据，水平预测单元可以预测出局部或整体建筑物在水平面上的变形数据。所述水平预测单元，可以预测某个监测点在水平面上的变形情况，也可以预测堆砌物体在水平面上的变形情况（即是预测某个堆砌物体的质心在水平面上的变形情况），也可以预测监测面在水平面上的变形情况（即是预测某个监测面的中心在水平面上的变形情），也可以预测建筑物的整体在水平面上的变形情况（即是预测建筑物的质心在水平面上的变形情况）。

所述变形预测模块包括沉降预测单元，用于根据已分析出的建筑物的三维分析模型的局部或整体的沉降变形情况，预测出建筑物在预测时期的沉降变形情况。具体是，可以通过沉降预测单元选择局部或整体建筑物的三维分析模型的沉降变形的量化数据，同时设置所需要预测的预测时期，根据所选择的量化数据，沉降预测单元可以预测出局部或整体建筑物的沉降变形数据。所述沉降预测单元，可以预测某个监测点的沉降变形，也可以预测堆砌物体的沉降变形（即是预测某个堆砌物体的质心的沉降变形），也可以预测监测面的沉降变形（即是预测某个监测面的中心的沉降变形），也可以预测建筑物的整体的沉降变形（即是预测建筑物质心的沉降变形）。

所述变形预测模块包括剖面预测单元，用于在建筑物的三维预测模型上建立剖面，并生成建筑物的三维预测模型的预测剖面图。所述建立剖面，是在建筑物的三维预测模型上画剖面线，并以剖面线为依据生成预测剖面图。可以根据建筑物的三维预测模型的预测剖面图查看、分析建筑物的将来的局部变形情况。

所述变形预测模块包括堆砌物体位移预测单元，用于预测并显示堆砌物体从起始时期到预测时期的变化轨迹。所述堆砌物体位移预测单元，可以预测单独的堆砌物体从起始时期到预测时期的变化轨迹，也可以同时预测多个堆砌物体从起始时期到预测时期的变化轨迹。所述起始时期，可以是已导入的监测点的数据信息中的任一时期。

本实施例的建筑物变形的三维分析系统的变形预测模块，根据已分析出的建筑物的三维分析模型的整体倾斜、沉降及局部变形等的量化数据，合理预测建筑物在预测时期的变形数据，并展示出建筑物的三维预测模型，以便于直观地看到建筑物在预测时期发生的整体倾斜、沉降及局部变形等。

优选的，所述建筑物变形的三维分析系统还包括显示模块，用于多视角显示建筑物的三维分析模型，并对建筑物的三维分析模型进行显示控制。

所述显示模块还可以用于多视角显示建筑物的三维预测模型，并对建筑物的三维预测模型进行显示控制。

所述显示模块，可以实现不同视角显示建筑物的三维分析模型或者建筑物的三维预测模型，包括俯视图、北面视图、东北面视图、东面视图、东南面视图、南面视图、西南面视图、西面视图、西北面视图。所述显示控制，即可以将建筑物的三维分析模型部分或全部进行显示或隐藏，或者将建筑物的三维预测模型部分或全部进行显示或隐藏。

较佳地，所述建筑物变形的三维分析系统还包括变形趋势图生成模块，用于根据至少两个时期的监测点的数据信息生成堆砌物体的变形趋势图。

所述堆砌物体，是指构成建筑物的基本模块。所述堆砌物体可以是砖块或石条。

所述堆砌物体的变形趋势图，是指单独的堆砌物体的变形趋势图。具体是，选择需要查看的堆砌物体及选择该堆砌物体的起始时期和终止时期，变形趋势图生成模块根据已录入的起始时期的监测点的数据信息和终止时期的监测点的数据信息，生成从起始时期到终止时期该堆砌物体的变形趋势图。建筑物体的所有堆砌物体的变形趋势图的组合，可以体现出建筑物体的变形趋势。

所述建筑物变形的三维分析系统还包括查看模块，用于选择并显示部分或全部的数据信息。

所述数据信息可以是已导入的监测点的数据信息或者是已分析出的建筑物的变形情况或者是建筑物的三维预测模型或者是其他可以查看的数据信息。该数据查看模块可以方便用户查看所需要的数据信息。

优选的是，所述建筑物变形的三维分析系统还包括参数模块，用于设置参数信息。所述参数信息一般包括误差参数、字体大小、透明度、颜色、阈值等。

另一实施例中，提供一种建筑物变形的三维分析方法，其包括以下步骤：

S301：导入至少两个时期的监测点的数据信息，所述监测点的数据信息包括监测点的坐标和监测点的三维分布图；

S302：根据至少两个时期的监测点的数据信息生成至少两个相对应的建筑物的三维分析模型；

S303：根据所述至少两个时期的监测点的数据信息分析至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的变形情况；

其中，所述分析至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的变形情况包括：

S3031：分析并显示至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的局部或整体在水平面上的变形情况；

S3032：分析并显示至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的局部或整体的沉降变形情况。

步骤S301中，导入监测点的数据信息之后，还可以将已导入的监测点的数据信息进行备份、对误差较大的监测点的数据信息进行粗差处理及导出已粗差处理的监测点的数据信息的步骤。

所述对误差较大的监测数据进行粗差处理包括以下步骤：

S401：选择需要分析的监测点、输入误差参数、分析并显示超出误差参数的监测点；

S402：选择超出误差参数的监测点，并纠正超出误差参数的监测点的坐标（在地面空间坐标系中的坐标）或三维分布图。

S303中，可以按照步骤S3031、S3032的顺序依次进行，也可以按照步骤S3032、S3031的顺序进行。且步骤S303中，所述分析至少一个已生成的建筑物的三维分析模型的变形情况包括还可以包括以下步骤：

S3033：在至少一个已生成的建筑物的三维分析模型上建立剖面，生成并显示出建筑物的三维分析模型的剖面图；

S3034：将不同时期的监测点的数据信息进行对比分析，并将对比分析的结果以图形形式显示；

S3035：分析并显示堆砌物体从起始时期到终止时期的变化轨迹或者分析并显示堆砌物体经过多个不同时期的叠加位移。

可以按照步骤S3033、S3034、S3035的顺序依次进行，也可以按照其他顺序进行，也可以只进行某个单独的步骤。

步骤S3034中，所述对比分析包括以下步骤：

步骤（1）、选择监测点的数据信息，并将相同监测点的不同时期的三维分布图分别用不同颜色显示；

步骤（2）、选择监测面数据，并将相同监测面在不同时期的三维分布图分别用不同颜色显示；

步骤（3）、选测堆砌物体数据，并分析出相同堆砌物体在不同时期的变化量，将不同变化量范围内的堆砌物体的三维分布图用不同颜色显示。

其中，步骤（1）、（2）、（3）可以依次进行，也可以按照其他顺序进行，也可以只进行某个单独的步骤。

本发明的建筑物变形的三维分析方法，通过对监测数据和建筑物的三维分析模型的展示和分析，得出全部或部分监测点坐标的位移情况，从而对建筑物的三维分析模型的整体倾斜、沉降及局部变形等给出量化数据和图形显示，进而得出并直观地显示出建筑物的变形情况。该方法可以处理大量的监测点的数据信息，不仅能够全面分析出建筑物的变形特征，同时还能够直观地看到建筑物的变形特征；还可以节约大量的人工和时间成本；且该分析方法的精确度较高，很大程度地减少了人工误差。

优选的，所述建筑物变形的三维分析方法，其还包括步骤S304：根据已分析出的建筑物的三维分析模型变形的量化数据预测出建筑物在预测时期的变形数据，并以此生成预测时期的建筑物的三维预测模型。

所述步骤S304可以包括以下步骤：

S3041：根据已分析出的建筑物的三维分析模型的局部或整体在水平面上的变形情况，预测出建筑物在预测时期的水平面上的变形情况。

S3042：根据已分析出的建筑物的三维分析模型的局部或整体的沉降变形情况，预测出建筑物在预测时期的沉降变形情况。

S3043：在建筑物的三维预测模型上建立剖面，并生成建筑物的三维预测模型的预测剖面图。

S3044：预测并显示堆砌物体从起始时期到预测时期的变化轨迹。

所述S3041、S3042、S3043、S3044可以依次进行，也可以按照其他顺序进行。

所述预测并生成建筑物的三维预测模型，根据已分析出的建筑物的三维分析模型的整体倾斜、沉降及局部变形等的量化数据，合理预测建筑物在预测时期的变形数据，并显示建筑物的三维预测模型，以便于直观地看到建筑物在预测时期发生的整体倾斜、沉降及局部变形等。

优选的，所述建筑物变形的三维分析方法，所述生成至少两个相对应的建筑物的三维分析模型之后还包括：多视角显示建筑物的三维分析模型，并对建筑物的三维分析模型进行显示控制。

通常在生成建筑物的三维分析模型之后，即可以多视角显示建筑物的任一时期或者多个时期的三维分析模型，同时可以对建筑物的的三维分析模型进行显示控制。

较佳地，所述建筑物变形的三维分析方法，所述导入至少两个时期的监测点的数据信息之后还包括步骤S205：根据至少两个时期的监测点的数据信息生成堆砌物体的变形趋势图。

通常是根据建筑物的三维分析模型的变形情况，生成堆砌物体的变形趋势图。

优选的是，所述建筑物变形的三维分析方法还包括选择并显示部分或全部的数据信息的步骤。

所述数据信息可以是已导入的监测点的数据信息或者是已分析出的建筑物的变形情况或者是建筑物的三维预测模型或者是其他可以查看的数据信息。导入监测点的数据信息之后，可以随时选择并查看已导入的数据信息。

较佳地，所述建筑物变形的三维分析方法，还包括设置参数信息的步骤。

以上所述，仅为本发明的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.建筑物变形的三维摄影监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置基准点，并测出基准点在地面空间坐标系中的坐标；

确定监测点位置；

确定影像控制点Ⅰ的位置，并测出影像控制点Ⅰ在地面空间坐标系中的坐标；

进行影像采集，即拍摄出影像Ⅰ；

进行数据处理，建立三维模型，提取所述监测点在地面空间坐标系中的坐标Ⅰ和/或提取监测点的三维分布图Ⅰ。

2.根据权利要求1所述的三维摄影监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

对所述基准点进行校准；

确定影像控制点Ⅱ的位置，并测出影像控制点Ⅱ在所述地面空间坐标系中的坐标；

进行影像采集，即拍摄出影像Ⅱ；

进行数据处理，提取出所述监测点在地面空间坐标系中的坐标Ⅱ和/或提取监测点的三维分布图Ⅱ。

3.根据权利要求1所述的三维监测方法，其特征在于，所述基准点至少为两个，所述测出基准点在地面空间坐标系中的坐标是使用水准仪和全站仪进行测量。

4.根据权利要求1所述的三维监测方法，其特征在于，所述监测点位于待测物上较易变形的位置。

5.根据权利要求4所述的三维监测方法，其特征在于，所述监测点上设有监测点显示装置。

6.根据权利要求1所述的三维监测方法，其特征在于，所述影像控制点Ⅰ中影像控制点的数量至少为三个，所述测出影像控制点Ⅰ在所述地面空间坐标系中的坐标是使用水准仪和全站仪测量。

7.根据权利要求1所述的三维监测方法，其特征在于，所述影像采集是将摄影装置放置在摄站上，并采用平行摄影的方式获取影像信息，且相邻摄站拍摄的影像有80-90%的重叠度。

8.根据权利要求7所述的三维监测方法，其特征在于，所述采用平行摄影的方式获取影像信息时，拍摄距离为1-1.2米。

9.根据权利要求7所述的三维监测方法，其特征在于，所述摄影装置为单反数码相机，所述采用平行摄影的方式获取影像信息时是将数码相机顺时针旋转90度进行拍摄。

10.根据权利要求7所述的三维监测方法，其特征在于，所述相邻摄站之间的距离为25-30厘米。